华科黄云辉/韩建涛/方淳ACS Nano：高混沌诱导多阴离子富溶剂化结构实现超高电压和宽温锂金属电池

LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ 正极的超高能量密度（>400 Wh/kg）锂金属电池的电解质要求能承受高电压（≥4.7 V），并能适应较宽的温度范围。然而，在高温高压条件下，电池性能会因电极-电解质的剧烈反应而下降，而在低温条件下，锂枝晶通常会因动力学不良而过度生长。

在此，华中科技大学黄云辉，韩建涛，方淳等人提出了一种高混沌电解质设计策略，该策略可促进形成涉及多种阴离子的弱溶剂化结构。通过定制富含多重阴离子的Li⁺-EMC-DMC-DFOB–PO₂F₂–PF₆–溶剂化鞘，获得了稳健的富无机电解质界面（EEI），在高压（4.7 V）和高温（45 ℃）条件下可抵抗激烈的界面反应。

此外，多阴离子溶剂化结构削弱了 Li⁺ 的溶剂化，有利于 Li⁺ 在低温（-30 ℃）下去溶剂化剂，大大提高了电荷转移动力学，抑制了锂枝晶的生长。

图1. 高混沌电解质的设计机理图

总之，该工作通过高混沌电解质进一步优化溶剂化化学反应，开发出了一种高电压、宽温度锂金属电池。在正极和负极均获得了由 Li⁺-EMC-DMC-DFOB–PO₂F₂–PF₆– 高混沌溶剂化鞘形成的坚固的富无机界面膜，该界面膜在高电压和高温条件下可抵抗剧烈的界面反应，并能长期保持优异的稳定性能。

因此，以 NCM811 为正极的锂金属电池在 -30 至 45 ℃ 的温度范围内和 4.7 V 的超高截止电压下都表现出了卓越的电化学性能。在 4.7 V 和 45 ℃ 下，HCE 电池在 200 个循环后的容量保持率接近 80%，明显高于 BLE 电池的 42%。在 4.7 V 和 -30 ℃ 下，HCE 电池的比放电容量高达 126 mAh g^-1，在 200 个循环后仍保持 92 mAh g^-1，而 BLE 电池的容量迅速下降到几乎为0。

该工作为调控高混沌电解质提供了一种创新策略，以进一步优化溶剂化化学，从而实现高电压和宽温度应用。

图1. 电池性能

High Chaos Induced Multiple-Anion-Rich Solvation Structure Enabling Ultrahigh Voltage and Wide Temperature Lithium-Metal Batteries, ACS Nano 2023 DOI: 10.1021/acsnano.3c09759